如何制作自己的Arduino电容计

在这个项目中，您将学习如何制作自己的Arduino电容计（测量电容器的值，范围从pF到1000的uF）。一般来说，电子爱好者喜欢设计自己的小工具而不是购买。在这个项目中，我们使用两种电容测量方法，即充电和放电方法，Arduino电容表和多谐振荡器方法，Arduino电容计。对于测量低值电容器，我们使用充电和放电方法，对于测量高值电容器，我们使用多谐振荡器方法。

电容器：电容器以电场的形式存储电能，电场由电容器的两个电极上的电荷极性建立。

电容：它是元件在其中存储电荷的能力。定量电容是可以存储在元件中的每单位电压电荷的量度。

从电容器的公式中，我们发现电容器存储的能量为

从方程中我们发现，电容器两端的电压是恒定的，通过它的电流为零。这意味着电容器，施加直流电压并且没有初始电荷，首先充当短路，但一旦保持完全充电，电容器就会表现为开路。

Arduino电容计电路说明

Arduino电容表的电路如图1所示，由arduino uno板、LCD、定时器IC和少量其他电子元件（如电阻器、电容器等）组成。

Arduino电容计的电路连接说明：

使用LCD的目的是显示电容器的值。我们在这里使用的 LCD 是 16×2 字母数字类型，有 16 个引脚输出。16 个引脚中有 8
个引脚用于数据通信。通常，LCD 可以在两种模式下运行，即 8 位模式和 4 位模式。在 8 位模式下，所有数据引脚 （D0 – D7） 都用于通信，而在 4
位模式下，只有高阶数据引脚 （D4 – D7） 用于通信。在项目中，Arduino电容计使用4位数据模式。LCD 的引脚 D4 到 D7 分别连接到
arduino uno 的 D7 到 D4 引脚。使能 （E） 和 SET/RESET （RS） 引脚分别连接到 arduino uno 板的 D11 和
D12 引脚。

定时器IC
555配置为非稳态多谐振荡器（频率发生器）模式，待测电容器的正极性连接到定时器IC的引脚2，电容器的负极性接地。定时器IC的输出从引脚3连接到arduino
uno板的D2引脚。通常在pF（皮科法拉）范围内的较低值的电容器，使用模拟引脚直接测量，采用充电和放电方法，如电路图所示。

充电放电方法的工作原理（用于测量1pF至100nF的低值电容）。

在这种方法中，电容器首先通过已知电阻器充电和放电。电容器的时间常数

其中 R = 用于电容器充电和放电的电阻的固定值

C = 电容器的电容

时间常数定义为电容器上的电荷达到最大电荷值的 63.2% 的时间。

arduino uno板基本上测量电容器在充满电时达到其电压的63.2%和完全放电时达到其电压的36.8%所需的时间。

从上面的表达式中，我们发现需要一个电阻器来对电容器进行充电和放电，但在上述电路中，我们没有使用外部电阻器。这是因为Arduino板内部有上拉和下拉电阻，电容器通过该电阻器充电和放电。通过这种方式，我们可以使用充电和放电方法测量电容器的电容。

多谐振荡器方法（测量范围为1uF – 1000uF的电容器）

可以使用这种方法测量高值电容器。定时器IC在稳态模式下使用。在这种模式下，输出以恒定速率在高电平和低电平之间摆动，即产生频率。

Arduino电容计涉及的数学

其中 R1= 连接在 Vcc 和定时器 IC 555 的引脚编号 7 之间的电阻器。

R2= 定时器 IC 的引脚 7 和引脚 6 之间连接的电阻

我们知道

arduino电容表的电阻值是固定的，使用两个电阻，每个电阻100K欧姆。当我们插入任何电容器时，都会产生一个恒定的频率，该频率由Arduino板以时间为单位进行测量。由于arduino具有毫秒的内置时间库功能。

电容可以按时间计算

如果我们把电阻的值放在上面的表达式中，它看起来像

戴夫

这样我们就可以计算出电容器的电容。

如果电容器的值较低，则在多谐振荡器方法中误差会变大，因此我们使用充电和放电方法来降低电容器的值。

单刀双掷开关用于在高值电容器和低值电容器的测量之间切换。

Arduino电容计软件代码：软件代码是用Arduino编程语言编写的，用Arduino编程语言编译。您可以从下面下载代码并在您的系统中使用，而无需进行任何修改。

LiquidCrystal lcd（12， 11， 7， 6， 5， 4）;

volatile unsigned long microseconds;

volatile float capacitance;

int CapPf=9;

int CapUf=10;

const int Cap_Out = A2;

const int Cap_In = A0;

const float Stray_Cap = 24.48;

const float Cap_GND = Stray_Cap;

const float Pullup_Res = 34.8;

const int ADC_Value = 1023;

void setup（） {

lcd.begin（16， 2）;

pinMode（2，INPUT）;

pinMode（CapPf，INPUT）;

pinMode（CapUf，INPUT）;

pinMode（Cap_Out， OUTPUT）;

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

Serial.begin（9600）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“ Capacitance ”）;

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（“ Meter ”）;

delay（2000）;

}

void cap（） {

microseconds=micros（）-microseconds;

capacitance=1.443*microseconds/300;

capacitance = capacitance/1000;

Serial.print（capacitance，3）;

Serial.println（“uF”）;

lcd.clear（）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Range： 1uf-1mF”）;

lcd.setCursor（0， 1）;

lcd.print（capacitance，3）;

lcd.print（“uF ”）;

microseconds=micros（）;

}

void loop（）{

if（digitalRead（CapUf））

{

attachInterrupt（0，cap，RISING）;

}

if（digitalRead（CapPf））

{

lcd.clear（）;

pinMode（Cap_In， INPUT）;

digitalWrite（Cap_Out， HIGH）;

int val = analogRead（Cap_In）;

digitalWrite（Cap_Out， LOW）;

if （val 《 1000）

{

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

float capacitance = （float）val * Cap_GND / （float）（ADC_Value -

val）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Range： 1pF-1nF”）;

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance，3）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“pF”）;

delay（200）;

}

else

{

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

delay（1）;

pinMode（Cap_Out， INPUT_PULLUP）;

unsigned long u1 = micros（）;

unsigned long t;

int digVal;

do

{

digVal = digitalRead（Cap_Out）;

unsigned long u2 = micros（）;

t = u2 》 u1 ？ u2 - u1 ： u1 - u2;

}

while （（digVal 《 1） && （t 《 400000L））;

pinMode（Cap_Out， INPUT）;

val = analogRead（Cap_Out）;

digitalWrite（Cap_In， HIGH）;

int dischargeTime = （int）（t / 1000L） * 5;

delay（dischargeTime）;

pinMode（Cap_Out， OUTPUT）;

digitalWrite（Cap_Out， LOW）;

digitalWrite（Cap_In， LOW）;

float capacitance = -（float）t / Pullup_Res / log（1.0 - （float）val /
（float）ADC_Value）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Scale： 1pF-1nF”）;

if （capacitance 》 1000.0）

{

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance / 1000.0， 2）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“uF ”）;

delay（200）;

}

else

{

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“nF”）;

delay（200）;

}

}

while （micros（） % 1000 ！= 0）;

}

}